Что такое лазер?

Автор: Александр Акилов. Дата публикации: 21 марта 2019. Категория: Статьи по голографии.

Слово  «ЛАЗЕР»  является аббревиатурой английского выражения  «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» – «Усиление света в результате вынужденного излучения».

Лазер излучает когерентный (строго согласованный в пространстве и времени), монохроматичный и поляризованный луч. Принцип действия лазера можно описать только с помощью теории квантовой механики, но он достаточно прост и для популярного объяснения.

Чтобы понять, как работает лазер, обратимся к физике.

Свет  –  это электромагнитная волна. В отличие от звуковых,  электромагнитные волны поперечные и имеют более сложную структуру. Они представляют собой синхронные гармонические колебания магнитного и электрического полей в плоскостях, перпендикулярных направлению  распространения волны со скоростью света (С).

У электромагнитной, как и у любой волны, есть количественные характеристики, такие, как амплитуда, частота, фаза и направление распространения. Поэтому физики привыкли описывать световую волну с помощью уравнений в векторной форме. Важно знать, что электромагнитные волны являются поперечными и имеют одновременно два взаимно перпендикулярных направления колебаний магнитной H и электрической E составляющих. Волны сохраняют ориентацию колебаний на всем пути распространения до момента взаимодействия с веществом. Так что, можно назвать еще один параметр электромагнитных волн – ориентацию плоскости поляризации. Теорию электромагнитных волн досконально разработал Джеймс Максвелл.

Исследуя спектры излучения нагретых тел, Макс Планк придумал формулу, которая идеально описывала это явление. Согласно этой формуле электромагнитное излучение обладало свойствами необычной частицы, у которой минимальная энергия  равнялась произведению некоторой константы  –  постоянной Планка (h) на частоту электромагнитного колебания (ν).

Свет в теории Планка одновременно является и волной, и частицей с энергией кратной некоторому числу – постоянной Планка (h). Мельчайшую и неделимую частицу излучения ученые назвали квантом. Учитывая вышеприведенную формулу, можно сказать, что энергия красного кванта меньше зеленого, а зеленого меньше синего и так далее.

Ученые основательно призадумались. Что же тогда представляет собой свет? Частица или волна? Кто прав? Ньютон или Френель? Оказывается, правы все. Вот такая получается история.

Еще в 1916 году Альберт Эйнштейн предсказывает возможность возбуждения внешним электромагнитным полем излучения атомов, которое обладает исключительной монохроматичностью. Чтобы понять, в чем же скрыта суть этого явления, рассмотрим в упрощенной форме процесс взаимодействия кванта света с веществом.

		Электромагнитная частица может взаимодействовать с электронными оболочками атомов вещества, переводя электроны на более высокий энергетический уровень, а атомы в возбужденное состояние.
		В возбужденном квантами состоянии атомы могут оставаться, по меркам микромира, достаточно долго. В течение этого времени индуцирующие кванты «накачки» способны перевести в возбужденное состояние значительное количество атомов вещества.
		Но что случится, если с атомом, находящимся в возбужденном состоянии, встретится квант, который имеет энергию точно такую же, как и энергия возбуждения электрона?
		В этом случае сработает чудесный спусковой механизм, и атом покинут уже два кванта–близнеца, удаляющиеся в том же направлении. Электроны при этом с возбужденных уровней вернутся в исходное, устойчивое состояние. Таким образом, поток света увеличит свою энергию в два раза  при сохранении частоты, поляризации и фазы.

И так может происходить многократно на пути распространяющейся лавины частиц, что равносильно усилению мощности  излучения пропорционально количеству встретившихся на их пути возбужденных атомов.

• В 1939 году Валентин Фабрикант, сотрудник МЭИ, формулирует принцип усиления электромагнитного излучения в среде, в которой можно создать возрастающее количество возбужденных электронов.
• 1955–й год. Николай Басов и Александр Прохоров разрабатывают мазер, активной средой которого являлся аммиак.
• 1957–й год. Американские ученые Чарльз Таунс и Артур Шавлов начинают разработку принципов лазера.

1958–й год. Александр Прохоров использует для создания лазера резонатор Фабри–Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

Принципиально конструкция лазера, как и все гениальное, предельно проста. Между двумя строго параллельными зеркалами располагается  оптическиактивная среда, в которой с помощью лампы накачки или иного способа подвода энергии происходит накопление возбужденных атомов.

Любой лазер состоит из рабочего тела, в котором происходит усиление излучения. Рабочими телами лазеров служат самые разнообразные вещества – твердые тела, жидкости и газы.

Для успешной работы лазера атомы рабочего вещества должны иметь особые, метастабильные энергетические электронные уровни (Е₂), изображенные на рисунке

Лазер «накачивают» ярким светом лампы или другого лазера, электрическим током, электронным пучком или химической реакцией. С помощью энергетической накачки электроны в веществе лазера перебрасываются с основного энергетического уровня (Е₃) на более высокий и неустойчивый (Е₁). Если энергия электрона вернется обратно в основное состояние, никакого эффекта не получится. Поэтому в активном веществе лазеров, чуть ниже верхнего уровня, должен находиться еще один, так называемый, «метастабильный» (Е₂)  или «долгоживущий», на котором электроны задерживаются на короткое время. Во время действия накачки в лазере образуется инверсия населенностей, при которой электронов на метастабильном уровне накапливается больше, чем на основном.

В возбужденном состоянии атомы не могут находиться бесконечно долго. Спустя некоторое время избыточная энергия сбрасывается в виде излучения кванта с нормированной энергией (и если вспомнить формулу Планка, частотой).

Порожденные самопроизвольным переизлучением, кванты разлетаются в разных направлениях. Для того, чтобы создать лазер, нужна среда, работающая в режиме положительной обратной связи. В качестве положительной обратной связи в усиливающей свет среде ученые стали использовать интерферометр Фабри – Перо, который представляет собой два параллельных плоских зеркала с очень высоким коэффициентом отражения. Это устройство имеет еще одно название –  «резонатор».

В таком резонаторе из огромного множества рожденных в результате усиления квантов всегда найдется хотя бы один, который будет двигаться вдоль оси резонатора (параллельно оси установленных зеркал). Такой квант имеет перед остальными огромное преимущество. Многократно отражаясь от параллельно установленных зеркал, он встретит на своем пути максимальное количество атомов активного вещества, находящихся в возбужденном состоянии. Представьте себе, какую лавину своих «клонов» этот единственный квант увлечет за собой, многократно пролетая от одного зеркала до другого!

Одно из зеркал резонатора полупрозрачно. Это означает, что некоторая часть квантов все – таки вырывается из плена зеркального резонатора. Таким образом, из нашего замечательного устройства, называемого лазером, выходит узкий параллельный пучок квантов–близнецов. У каждого из них одна и та же частота, фаза и ориентация плоскости поляризации. Ни один другой источник света не может сравниться с лазером упорядоченностью испускаемого излучения.

А.М. Прохоров, Ч. Таунс и Н.Г. Басов (слева направо), 1965 год

В 1960 году американский физик Теодор Мейман, сотрудник фирмы "Хьюз Эйркрафт", сконструировал на основе работ Басова, Прохорова и Таунса первый лазер на рубине (длина волны 0,69 мкм).

1 – рубиновый стержень;
2 – импульсная лампа накачки;
3 – зеркало 100% отражения
4 – зеркало 95% отражения;
5 – отражатель;
6 – блок питания импульсной лампы.

Вскоре Чарльз Таунс и Артур Шавлов запатентовали конструкцию лазера. В принципе, все понятно и просто, но на самом деле лазеры – это продукты высоких технологий. Николай Басов в 1962 году предложил идею лазера на основе полупроводникового кристалла, а американцы Джаван, Беннет и Гарриот разработали газовый лазер. С появлением лазеров голография начала стремительно развиваться в самых неожиданных направлениях.

Свойства лазерного луча

 Свет лазеров обладает исключительной монохроматичностью. Применяя дополнительные устройства для предотвращения одновременной генерации лазером нескольких частот, можно достичь длины когерентности в сотни метров, а ширины спектра излучения в несколько килогерц.

Фронт лазерного луча имеет форму, близкую к идеальной плоскости. Поэтому угловая расходимость луча лазера составляет сотые доли градуса. 

С помощью фокусирующей линзы, лазерный луч можно собрать в пятно очень малого диаметра и получить исключительно высокую плотность энергии.  Распределение  интенсивности излучения в сечении лазерного луча стремится к закону Гаусса. Это обстоятельство определяет его геометрию в зоне фокусировки.

d = 4λf/πА,     где d  – диаметр идеального гауссова пучка в фокусе линзы; λ – длина волны излучения лазера; А – размер пучка на входе линзы; f – фокус линзы

Вблизи фокальной плоскости линзы пучок света имеет форму «перетяжки» с плоским фронтом в зоне фокуса. Чем короче фокус линзы (f) и больше диаметр лазерного пучка (A), тем будет меньше пятно фокусировки (d).

Благодаря перечисленным свойствам, существует возможность создания высоких плотностей излучения лазеров, которая используется для быстрого разогрева вещества, охлаждения или ускорения заряженных частиц. Луч лазера режет и сваривает тугоплавкие материалы, с его помощью измеряют расстояния, скорости и ускорения объектов, размеры и концентрации частиц в жидкостях и газах. Для лазеров инженеры нашли очень много полезных применений.

Новое поколение лазеров

Чуть более полувека прошло с тех пор, как  появились первые твердотельные и газовые лазеры. Все это время наука не стояла на месте и сделала множество открытий в области полупроводниковых материалов,  нелинейных оптических сред и искусственных кристаллов. В результате проведенного широкого фронта исследований было разработано новое поколение лазерных диодов и,  так называемых, DPSS лазеров.

  Аббревиатура DPSS  ( diode-pumped  solid-state laser) , означает – твердотельный лазер с диодной накачкой.

Накачка лазерного кристалла излучением лазерного диода позволяет получить высокую эффективность генерации и качество излучения при относительной простоте и компактности конструкции. Преимущество лазеров с диодной накачкой связано с тем, что излучение лазерных диодов спектрально хорошо согласуется с полосами поглощения активаторных ионов с метастабильными уровнями в генерирующем кристалле. Эффективность накачки при этом превышает 80%, а тепловая нагрузка сокращается до минимума.

DPSS лазеры при высокой мощности когерентного излучения компактны и очень экономичны

DPSS лазеры могут излучать в очень широком диапазоне частот

Простейший DPSS лазер устроен следующим образом:

Когерентное излучение лазерного диода с длиной волны 808 нм фокусируется в кристалле Nd:YVO₄  и возбуждает в нем вынужденное излучение с длиной волны 1064 нм. Затем нелинейный кристалл КТР преобразует инфракрасный луч в зеленый с длиной волны 532 нм.  Далее излучение коллимационными линзами преобразуется в узкий пучок. IR фильтр отделяет зеленый луч от достаточно мощного инфракрасного, который еще присутствует после преобразования в кристалле КТР.

Для получения одночастотной генерации излучения с большой длиной когерентности DPSS лазеры имеют более сложную конструкцию с внешними резонаторами и устройствами селекции мод